柑橘是全球消费量最大的水果之一，富含营养，是中国饮食的重要组成部分（Lu等人，2024年；Shermila等人，2024年）。随着消费者期望的不断提高（Wang等人，2024年；Xiao等人，2024年），质量保障变得越来越重要。实际上，柑橘在储存过程中经常受到损伤，导致风味迅速恶化，保质期缩短（Kato-Noguchi和Kato，2025年；Kujur等人，2025年）。这种损伤会影响口感和外观，并可能扩散，导致广泛变质。因此，及时准确的损伤检测至关重要。需要一种简单可靠的方法来帮助消费者监测水果质量，减少浪费，并确保食品安全。
传统的柑橘质量检测方法，如感官评估和使用精密仪器，存在明显局限性。感官评估具有主观性和不一致性，而精密仪器虽然准确，但往往价格昂贵、体积庞大且操作复杂，不适合日常使用。因此，需要一种快速、高效、用户友好的检测方法来评估小规模柑橘的质量。
研究表明，当柑橘受损时，会释放出不同的挥发性有机化合物（VOCs）（Wang等人，2025a；Wang等人，2026年）。机械损伤通常由运输和储存过程中的挤压和外部力量引起。同时，受损的果实更容易受到真菌感染，从而导致采后腐烂，给柑橘产业带来重大经济损失。机械损伤和真菌感染都会改变柑橘释放的VOCs的组成和浓度特性，从而为基于气体传感器的无损检测提供了理论基础。柑橘的机械损伤主要有三种类型：碰伤、穿刺和切割。受损的柑橘果皮和果肉会释放多种有机化合物，这些化合物与健康果实的VOCs有所不同（Jo等人，2023年）。机械损伤后，某些VOCs的浓度会增加，例如D-柠檬烯和γ-萜烯（Nicola?等人，2016年；Zhang等人，2017年）。此外，柑橘青霉病是最常见的疾病，感染后柑橘会释放大量挥发性化合物。还有一些新的化合物，如β-蒎烯和芳樟醇也会在感染后释放（Wu等人，2023年；Chalupowicz等人，2020年）。因此，VOCs是检测柑橘损伤的可靠指标。
气体传感器能够检测气味（Ferreira等人，2024年；Feng等人，2024年；Rasekh和Karami，2021年），为柑橘质量评估提供了快速、无损的检测方法（Liu等人，2024年；Wang等人，2025c）。通过监测储存或处理过程中的VOC变化，气体传感器可以有效检测物理损伤（Sun等人，2024年；Zhang等人，2024b）。然而，目前仍缺乏实用的柑橘气体检测系统。
气体检测室（Jin等人，2025b；Zhang等人，2025b）是气体传感器系统的核心组成部分，用于容纳气体传感器阵列，通常连接到气体流动系统。其几何形状和内部结构会显著影响气体流动特性和传感器响应，从而影响整体检测和识别性能（Wang等人，2025b；Liu等人，2025）。
近年来，多项研究探索了气体检测室的设计，并取得了良好的结果。基本几何形状，如立方体、圆锥体和倒角形状已被广泛采用。Zeng和Fang（2021年）设计了一种矩形立方体检测室，并结合计算流体动力学（CFD）仿真和实验验证来研究多组分气体混合。Xu等人（2025年）为基于电子鼻的黄龙病检测系统设计了一种圆锥形检测室。然而，这些检测室中的气流是直线流动的，难以处理低浓度VOCs。
因此，需要对检测室进行优化，已有研究对此进行了探讨。Wang等人（2021年）对结构进行了修改，例如对四个角进行倒角并添加了可调高度的内部挡板。Sharma等人（2021年）添加了内部挡板并优化了孔板。Jin等人（2025a）借鉴了鲟鱼的嗅觉机制，设计了一种能够有效引导目标气体与传感器表面充分接触的同时最小化大气湍流的检测室。
受生物启发的检测室结构可能会降低检测效率。因此，本研究重点关注检测室的微型化和快速检测。采用了基本几何形状并结合结构优化。值得注意的是，大多数以往的研究仅关注优化单个检测室参数（如倒角或内部挡板），这限制了整体检测室性能。本研究旨在优化所有参数并获得全面的结果。
同时，k–ε模型作为雷诺平均纳维-斯托克斯湍流模型之一，因其高计算效率和湍流剪切流的模拟准确性，常用于模拟农产品的空气流动。Kurafeeva等人（2024年）成功应用k–ε模型模拟了柑橘在保护屏结构下的空气流动，证实了其适用于柑橘相关流动模拟。同样，Hua等人（2023年）使用k–ε模型模拟了苹果园的空气流动和热传递，证明了其在水果冠层环境中的适用性。因此，本研究也采用了k–ε模型进行模拟。
设备微型化和快速检测对于用户友好性和实时性能至关重要。首先，空间总是有限的，用户通常无法忍受笨重的设备，也不具备操作复杂仪器的专业知识。其次，实时快速检测尤为重要，特别是在水果储存期间，因为未能及时识别变质或受损的柑橘可能导致气体交叉污染和整体质量加速下降。最后，由于柑橘在常温储存条件下的VOCs浓度较低，因此气体富集能力和结构效率对于在短时间内获得足够样本至关重要。因此，需要考虑气体检测室的小巧尺寸和气体富集功能，因为柑橘的VOCs浓度较低。现有设计往往体积过大、便携性差，且缺乏对气流特性和传感器响应的系统分析。关于便携式或微型化气体检测室与快速响应相结合的研究仍然有限。
本研究的目标是设计一种紧凑型气体检测室，用于快速识别柑橘损伤。具体内容包括：（1）通过结合CFD仿真和实验设计气体检测室并比较其性能；（2）通过结合CFD仿真和实验优化理想气体检测室的结构；（3）验证优化后的检测室的可行性和有效性。
